iPhone 15 标准款有，Pro 却没有的双层晶体管像素，你知道吗？

今年的 iPhone 15 标准款可以说是近年来最没存在感的 iPhone 了，已经发布有两个月，网上大家讨论的都是 15 Pro 和 15 Pro Max，极少能够看到有关 15 标准款的内容。不过在前不久，根据国外 Techinsight 的拆解发现，iPhone 15 标准款居然用上了一项连 Pro 款都没有的先进技术，那就是其广角主摄图像传感器所采用的双层晶体管像素。

这里的双层晶体管像素是由索尼于 2021 年 12 月 16 日在 IEEE 国际电子设备会议上发布的突破性技术，也就是将像素的感光层和电压读出层分别制造并堆叠，其首款量产图像传感器 LYT-T808 首发于今年索尼自家的 Xperia 1 V。包括前不久的 OPPO Find N3 也是采用了同款图像传感器，OPPO 将其宣传为新世代折叠像素，声称同尺寸下感光能力提升至 2 倍，动态范围提升更是达到 3.55 倍。那么这又是如何实现的呢？

我们知道手机上现在使用的都是 CMOS 图像传感器，它不仅要感光，还要进行电荷转换、 电压读出等功能。传统的像素设计是将用于感光的光电二极管和传输门、行选择、源跟随器、复位晶体管等设计在同一平面上。

它们都做在同一片晶圆上在制造上会比较容易，但问题就是光电二极管本身的面积和体积会受限于周边晶体管，导致量子效率和满阱容量有所损失。而用来驱动像素运行的晶体管本身并不能无限缩小，例如驱动像素读出电压的源跟随器，也就是像素内部放大器晶体管的尺寸如果再缩小，会使得暗电流、随机电报噪声等读出噪声增大，这也就限制了感光区域的性能提升。

这个情况其实和十年前背照式图像传感器的情况有所类似，当时背照式像素区域与信号处理电路也是置于同一晶圆上，而索尼通过使用构建有信号处理电路的芯片（电路单元）来替代背照式 CMOS 图像传感器的基础电路板，并在其上堆叠像素单元（堆栈结构），这样，微小的芯片尺寸也能够搭载大规模的电路。

那么既然光电二极管与像素晶体管制造在同一晶圆上会限制图像传感器的性能，索尼自然想到借鉴过去堆栈式 CMOS 图像传感器的设计经验，利用自身领先的堆栈技术，将过去分布在像素芯片上、将光转换成电信号的光电二极管与控制信号的像素晶体管层分开制造在两个晶圆上，再通过先进的互联技术堆叠在一起，构建新的堆栈结构。

这种设计的优势在哪呢？首先由于感光层独立设计，光电二极管的体积进一步增大，扩大了光电二极管的容量，提升了单个像素最多能容纳的电子数量，即满阱容。索尼宣称饱和信号量可提升至原来的约 2 倍左右。最终，成功扩大了代表可成像的明暗差范围的动态范围。

其次由于将传输控制晶体管（TRG）以外的复位晶体管（RST）、选择晶体管（SEL）和放大晶体管（AMP）等像素晶体管分布在没有光电二极管的基片层上，因此，可以增加放大晶体管的尺寸，而放大晶体管的尺寸越大对前端读出噪声的压制就越好。由此，使得在拍摄夜景等昏暗场景时容易产生的噪点显著减少。

所以说这次的双层晶体管像素技术着重优化的就是移动影像下小像素设计的难题，通过纵向堆叠突破了过往小像素的空间限制，其主要的提升在于满阱容量和读出噪声上。

其中满阱容量对应充足光照下的动态范围和信噪比。对于尺寸远小于相机的手机用图像传感器而言，其可捕获的进光量有限，因此，可成像的亮度范围较窄。例如，在拍摄明暗差较大的逆光场景时，容易发生明亮部位过度曝光，昏暗部位发黑模糊，成像效果与肉眼所见截然不同的情况。而双层晶体管像素技术通过提升满阱容量，也就是将饱和信号量提升至原来的约 2 倍，成功扩大了代表可成像的明暗差范围的动态范围。

而读出噪声对应弱光拍摄时的噪点表现。在拍摄夜景或昏暗的房间等暗处时，如果没有外部补光增加场景亮度，对于手机拍摄而言一般只能通过提升 ISO 来提升画面亮度。高 ISO 意味着更高的信号放大，会同步放大前端的读出噪声。而双层晶体管像素技术通过增加放大晶体管尺寸，带来更好的对读出噪声的抑制，成功使拍摄暗处时容易产生的噪点显著减少。在拍摄室内或夜景等昏暗场景时，不增加图像传感器尺寸，也能实现噪点少的高画质成像效果。

当然即使是用上了双层晶体管像素技术，目前 LYT-T808 这款实际成像 1/1.43 英寸的图像传感器还是无法与一英寸传感器相媲美的。毕竟一英寸传感器的面积几乎是它的两倍，在同等条件下一英寸传感器在光信号的收集上有着先天的优势，而更多更有效的光信号也就意味着画质上限更高。

不过一英寸传感器在画质更好的同时，其整个相机模组的尺寸对于手机而言也是巨大的。在手机内部基本上已经不太可能塞进更大尺寸的图像传感器的情况下，索尼和三星这几年传感器技术的发展重点就是重视垂直堆叠和纵向优化，在适中的底面积下极力地优化分辨率、充足光照的动态范围，以及高感的画质表现。

索尼双层晶体管像素技术就是在这样的背景下诞生的，它可以说是比直接使用一英寸传感器要更适合空间敏感型的手机摄影发展的需求。在不过分让相机模组凸出手机机背的情况下，尽量去提升手机拍照的画质。并且其不仅可以用在小像素传感器上，即使是目前的一英寸大像素传感器，仍然可以使用这一技术来提升整体的性能。所以接下来应该还会有很多手机搭载使用这一技术的图像传感器，我们即将迎来手机摄影的下一篇章。

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